Conception, fabrication et caractérisation de nouveaux dispositifs de FDSOI avancés pour protection contre les décharges électrostatiques

par Sotirios Athanasiou

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Sorin Cristoloveanu.

Le président du jury était Gérard Ghibaudo.

Le jury était composé de Philippe Galy, Jurriaan Schmitz, Maud Vinet.

Les rapporteurs étaient Bruno Allard, Alexander Zaslavsky.


  • Résumé

    Ce sujet de thèse a pour objectif principal la conception de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) en technologie silicium avancée sur isolant film mince (FDSOI) avec la compatibilité substrat massif. Ceci suppose une caractérisation ESD des dispositifs élémentaires déjà existants et une conception complète de nouveaux dispositifs sur technologie FDSOI. Ces caractérisations se feront, soit en collaboration avec les équipes de caractérisation ESD présents à STMicroelectronics-Crolles, soit directement par le doctorant grâce au banc de test ESD présent dans le laboratoire pour les développements plus en amont si besoin. La caractérisation fine des mécanismes physiques et des performances des composants sera menée à IMEP qui dispose des équipements adéquats (bancs de mesures en basse et haute température, bruit, pompage de charge, etc) et d’une compétence scientifique incontournable. Il sera ensuite nécessaire d’effectuer des choix de stratégies de protection ESD en fonction des applications et des circuits visés par les équipes de STMicroelectronics. On gardera à l’esprit la notion de fiabilité dès la conception de la protection. Une des stratégies envisagée pour la réalisation de protections ESD compatibles avec des films ultra-minces est l’intégration de ces dispositifs sur substrats hybrides. En effet, il a été démontré chez STMicroelectronics en partenariat avec le LETI qu’il était possible de co-intégrer à partir d’un substrat SOI des dispositifs FDSOI ainsi que des dispositifs bulk. Ceci est rendu possible au moyen d’un réticule supplémentaire qui permet de venir retirer le film de silicium et l’oxyde enterré aux endroits voulus. Ainsi la protection ESD est similaire à celle réalisée sur silicium massif mais avec des implantations compatibles avec des dispositifs à film mince. Les dispositifs sont donc sensiblement différents de ceux réalisés sur bulk et nécessitent une caractérisation approfondie afin de les optimiser au mieux. Une approche ambitieuse vise à concevoir des composants SOI inédits, utilisables pour la protection ESD. Ce volet du travail sera en autre effectué sous la responsabilité de l’IMEP qui a récemment inventé et publié plusieurs types de transistors révolutionnaires : Z2-FET, TFET et BET-FET [12-14].Les études se feront sur des dispositifs silicium sur isolant issus des technologies de fabrication STMicroelectronics. Pour ce faire, il sera nécessaire d’appréhender les techniques de fabrication. Dans ce cadre, une simulation des processus de fabrication est envisagée sous la chaîne d’outil ISE-TCAD en C20nm et technologies futures. Tout d’abord ceci permettra d’embrasser l’ensemble des possibilités inhérentes à la création de nouveaux composants dans la technologie considérée et ensuite cette étude préliminaire fournira des structures de simulation pour les configurations ESD. Parallèlement, les outils TCAD de simulation physique du semi-conducteur à gap indirect type silicium seront mis à profit pour étudier plus précisément le comportement du composant élémentaire de protection ESD. Ces éléments peuvent être par exemple de type : diode, ggNMOS, Tr BIMOS, SCR ou SCR, T2, Beta-matrice, PPP… La synergie avec l’IMEP est essentielle pour l’identification et l’analyse des mécanismes physiques gouvernant le fonctionnement des dispositifs. Notamment, l’objectif principal est d’intégrer la protection ESD dans son application finale et d’évaluer son efficacité et son dimensionnement par l’intermédiaire de paramètres géométriques par exemple. Il sera également possible de réaliser des simulations mixtes afin de mieux tenir compte des effets 3D de la structure (effet de coins, dépolarisation de substrat) et de connaître l’influence des circuits de déclenchement associés à cette protection. L’optimisation de l’implantation de la protection ESD sera alors envisageable au regard des résultats de simulation. On se place ici dans le cadre d’une démarche de Co-Design de protection ESD.

  • Titre traduit

    Conception, fabrication and characterization of new advanced FDSOI devices for ESD robustness and performance


  • Résumé

    "The thesis main objective is the design of protection againstelectrostatic discharge (ESD), for deep submicron (DSM)state-of-the-art fully depleted silicon-on-insulator technology (FDSOI).This requires the ESD characterization of existing elementary devicesand design of new FDSOI devices. The detailed characterization of thephysical mechanisms and device performance will be conducted at IMEPwhich has adequate facilities and scientific competence in this field.It will then be necessary to make choices for ESD protectionstrategies based on circuit applications by STMicroelectronics. Anambitious approach aims to develop novel SOI components used for ESDprotection. This part of the work will be performed under theresponsibility of IMEP as it has has recently invented and publishedseveral types of revolutionary transistors Z 2-FET, TFET andBET-FET. It will be necessary to understand the fabrication processtechnology of STMicroelectronics. In this framework, 3D simulation ofthe technology will be performed on TCAD software for 28nm FDSOI andfuture technologies. Physical simulation, with TCAD tools of thesemiconductor will be used to study more precisely the behavior of theelementary devices of ESD protection. Collaboration with the IMEP isessential for the identification and analysis of the physicalmechanisms governing device operation.In particular, the main objective is to integrate ESD protection andevaluate its effectiveness and design. It will also be possible toperform mixed-mode simulation to better analyse the effects of the 3Dstructure (corner effects, depolarization of substrate) and evaluatethe influence of trigger circuits associated with this protection.Optimizing the implementation of ESD protection will then be possible.Having studied from a theoretical point of view and numericalsimulation, ESD protection cells and trigger circuits associated withthe ESD protection strategy, qualification on silicon will be applied.This will be done by a test vehicle in the chosen SOI technology, andelectrical characterization of the structures and protection networkswill follow. Finally, the ESD performance will be analyzed to provideoptimization of the design and the choice of ESD protection strategybased on targeted applications."


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